Un metodo innovativo di manutenzione predittiva: applicazione ai freni a disco

Gli attuali freni a disco hanno preso il sopravvento (almeno in campo automobilistico) rispetto al classico freno a tamburo per una serie di motivazioni:

- Migliore capacità di smaltimento del calore, a causa di una superficie di scambio con l’aria maggiore.
- Lo sforzo al pedale risulta essere meno influenzato dalla temperatura dei componenti del freno (nei tamburi si ha differente dilatazione tra ceppi e tamburo, per cui aumentano i giochi, mentre nei dischi la dilatazione è pressoché radiale).
- Usura del materiale d’attrito omogenea.
- Avvento del servofreno, il quale ha permesso di ridurre notevolmente lo sforzo al pedale, che di per sé è maggiore nei freni a disco, a causa della minor raggio d’attrito che si ha in quest’ultimi.

Per il resto si hanno varie soluzioni costruttive, le quali però si basano tutte sul medesimo principio di funzionamento. I freni a disco inoltre si distinguono sia per la forma del disco (pieno, autoventilante, forato e/o baffato) sia per il tipo di pinza (fissa o flottante) che comanda le pastiglie realizzate di apposito materiale d’attrito, oltre che per i vari materiali dei quali possono essere costituiti questi elementi.

Forma del disco
Il disco del freno, escludendo la parte più interna dello stesso (dove si ha il collegamento con il cerchione e il perno della ruota) che è realizzata in maniera da adattarsi al veicolo specifico, può essere pieno oppure autoventilante, ossia con una serie di fori radiali su un piano tra le due superfici a contatto col materiale d’attrito e perpendicolare all’asse di rotazione: l’aria entra in queste canalizzazioni dalla parte interna, e poi, per effetto della rotazione, viene espulsa nella zona periferica del disco. Ciò comporta una maggiore superficie di scambio termico e quindi minori temperature durante la fase di frenatura.
Altri tipi di lavorazione sui dischi sono la foratura (realizzazioni di fori con direzione assiale sulla superficie del disco a contatto con le pastiglie) e la baffatura (ossia realizzazione di solchi a prevalente andamento elicoidale sulla stessa superficie), le quali hanno il compito rispettivamente di alleggerire il disco e migliorare l’espulsione dei residui del materiale d’attrito; tali lavorazioni hanno però l’inconveniente di aumentare l’usura delle pastiglie.

Materiali del disco
La maggioranza dei dischi freno montati sugli autoveicoli stradali sono in ghisa al cromo-molibdeno, che garantisce un’ottima resistenza all’usura; l’acciaio invece può presentare fenomeni di tempratura dovuti ad eventuali schizzi d’acqua col disco a temperatura elevata: questo può provocare un conseguente infragilimento del disco stesso.

Tipologie di pinze
La pinza del freno è l’organo deputato a comandare le guarnizioni d’attrito e a scaricare il momento frenante dal disco al supporto della pinza stessa, il quale è solidale al portamozzo oppure, nel caso di freni inboard, alla cassa del veicolo.
Il momento frenante si scarica comunque sulla cassa del veicolo tramite i braccetti della sospensione stessa, e per particolari geometrie della sospensione (bracci longitudinali), il momento frenante provoca un ulteriore sollevamento o abbassamento della cassa, che si aggiunge agli spostamenti verticali dovuti al trasferimento di carico tra gli assali in frenata.

La pinza inoltre può essere realizzata in due modi:
- Fissa, ossia rigidamente vincolata al proprio supporto, con pistoncini idraulici da entrambi i lati del disco che agiscono direttamente sulle pastiglie;
- Flottante, ossia capace di piccoli spostamenti assiali; una pastiglia è solidale alla pinza, mentre quella dall’altro lato è solidale al pistoncino comandato dal liquido in pressione. Comprimendo il liquido la pastiglia viene spinta dal pistoncino verso il disco, e la conseguente reazione fa spostare tutta la pinza in direzione opposta, in modo che anche l’altra pastiglia sia premuta contro l’altra faccia del disco

Per autoveicoli normali di solito viene impiegato il sistema a pinza flottante, essendo più compatto e più semplice.

Guarnizioni frenanti
Sono i componenti che fanno nascere l’attrito con il disco e che quindi generano il momento frenante. Per via del loro funzionamento le pastiglie devono garantire un buon attrito con il materiale del disco, avere una buona conducibilità termica per far aumentare il meno possibile le temperature, ed avere un coefficiente d’attrito che sia poco influenzato dalla temperatura dei corpi in contatto.
Fino a qualche anno fa il componente principale delle pastiglie era un materiale composito composto prevalentemente da fibre di amianto e resine leganti. In seguito alla nocività dell’amianto è stato scelto di proibire questo materiale per questi utilizzi, per cui adesso il materiale d’attrito è un composito formato da diversi materiali che hanno ognuno una funzione precisa (garantire l’attrito, garantire lo scambio termico, contenere il rumore, ecc.).